JP2020147279A - 転舵角センサ搭載車両 - Google Patents

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Abstract

【課題】転舵角センサの非線形角度誤差を小さくする。【解決手段】実施の一形態によれば、シャーシ、各２つの前輪および後輪、回転軸の周りにステアリングコラムを回転させて前輪を操舵する操舵ハンドル、並びに回転軸の周りでの前記ステアリングコラムの回転角度を測定する転舵角センサを含む車両が提供され、前記転舵角センサは、前記ステアリングコラムに対して静止するエンコーダと、前記回転軸上の前記エンコーダから軸方向変位するように配置された磁石センサと、を有し、前記エンコーダは、前記磁石センサに向けられた上側を有する第１磁石と、前記上側の反対側で前記第１磁石に取り付けられた第２磁石とを含み、少なくとも前記第１磁石が前記上側から始まる凹部を含み、各磁石は前記回転軸と直交して磁化され、前記磁化に関して前記第１磁石と前記第２磁石が回転方向で互いに変位し、前記凹部は、前記第１磁石の軸方向の厚さよりも浅い深さを有する。【選択図】図３

Description

本発明は、請求項１の前提部による車両に関する。
このような車両は、特許文献１から知られている。
独国特許出願公開第１０２０１８１０２１８４号明細書
本発明の目的は、既知の車両を改良することである。
この目的は、独立請求項の特徴によって解決される。有利な実施形態は、従属請求項の主題である。
本発明の一態様によれば、車両は、運転方向に移動可能なシャーシと、前記運転方向に見た後側に前記シャーシを移動可能に運ぶ２つの後輪と、前記運転方向に見た前側に前記シャーシを移動可能運ぶ２つの前輪と、前輪を操舵するための回転軸の周りにステアリングコラムを回転させるための操舵ハンドルと、回転軸の周りでの前記ステアリングコラムの回転角度を測定するための転舵角センサとを含む。前記転舵角センサは、前記ステアリングコラムに対して静止するエンコーダと、前記回転軸上の前記エンコーダから軸方向変位するように配置された磁石センサとを有する。前記エンコーダは、前記磁石センサに向けられた上側を有する第１磁石と、前記上側の反対側で前記第１磁石に取り付けられた第２磁石とを含む。少なくとも前記第１磁石は、前記上側から始まる凹部を含む。各磁石は、前記回転軸と直交して磁化され、前記磁化に関して、前記第１磁石と前記第２磁石は、回転方向で互いに変位する。
本発明に関する車両では、前記凹部は、前記第１磁石の軸方向の厚さよりも浅い深さを有する。これは、最初に述べた車両では、磁石の少なくとも１つを通る凹部を有するエンコーダが強く非平行なマグネットラインを生成するという考えに基づいている。これらの非平行なマグネットラインは、エンコーダと磁石センサとの間のエアギャップに依存する転舵角センサの非線形角度誤差に関与する。この角度誤差は、磁石センサからエンコーダまでの特定の距離で最小の軸外の位置ずれと組み合わされている。結果として、磁石センサに対してエンコーダを配置するための公差は、厳密に選択する必要がある。そうしないと、前述の角度誤差が大きくなり、信頼性の高い測定ができなくなる。これにより、全体的な生産コストが不必要に増加する。
すでに第１磁石にある凹部を停止すると、エンコーダによって生成されたマグネットラインが互いにより平行に走るという効果が生じる。これにより、上記の角度誤差の非線形性が低減し、エンコーダと磁石センサを互いにより高い公差で配置できる。
提供される車両の一実施形態では、第１磁石の軸方向の厚さと凹部の深さとの比は、１：２０よりも大きく１：２よりも小さく、好ましくは１：５よりも小さい。これらの範囲内で、転舵角センサは、エンコーダと磁石センサとの間の距離から可能な限り独立した角度誤差を維持するために上記の考え方を維持することにより、回転角度を確実に測定する良好な感度を実現する。
提供される車両の追加の実施形態では、第２磁石の凹部は、第１磁石の反対側の底側を含み、底側から始まり第１磁石まで延びる更なる凹部が第２磁石に形成される。凹部および上記更なる凹部は、第１磁石を第２磁石から分離する平面に関して対称的に形成することができる。
提供される車両の別の実施形態では、第１磁石と凹部は、軸方向から見て円形の形状を有する。第１磁石の直径と凹部の直径との比は、好ましくは４：３よりも大きく、２：１よりも小さく、より好ましくは３：２よりも大きく、５：３よりも小さく、最も好ましくは１１：７である。
提供される車両の更なる実施形態では、第１磁石は、２５０ｍＴ〜３５０ｍＴの残留誘導、好ましくは３００ｍＴの残留誘導を有する永久磁石である。
本発明の上記の特徴、特性及び利点、ならびにそれらが達成される態様及び方式は、図面に関連してさらに詳細に説明される実施形態の以下の説明に基づいてさらに包括的になるであろう。
運転動的制御を備えた自動車の原理図の一例である。 斜視図で示す図１の自動車の原理図の一例である。 斜視図で示す図１及び図２の自動車における転舵角センサの原理図の一例である。 図３の転舵角センサの断面図の一例である。 図３の転舵角センサの底面図の一例である。 測定結果の一例を示す図である。
図面では、同等の技術要素には同等の参照符号が付けられ、一回のみ説明される。図面は概略的な性質のものにすぎず、特に実際の幾何学的寸法を開示していない。
図１を参照すると、図１は、基本的に既知の運転動的制御を備えた車両２の模式図を示す。この運転動的制御の詳細は、前掲の特許文献１から取得できる。
車両２は、運転方向３に移動可能であり、２つの前輪５及び２つの後輪６上で運転方向３に移動可能に運ばれるシャーシ４を含む。各車輪５、６は、シャーシ４に静止固定されたブレーキ１１を介して減速して、図に示されていない道路での車両の動きを減速させることができる。
車両２の移動中の運転方向３は、図１に記号で示されている操舵ハンドル７を転舵角８に配置することにより、車両２の運転者によって制御することができる。操舵ハンドル７自体は転舵角８に基づいて、前輪５の車輪角度１０を転舵角８に基づいて調整するステアリングギヤ９を制御する。時間内の転舵角８の変化に基づいて、車両２は、車両の運転者によって定められた道路上の軌跡を走行する。
車両２の移動中、車輪５、６は道路との接触を失い、運転者によって定められた軌跡から逸脱することが、当業者に基本的に知られている方式で発生することがある。このような行動を防ぐために、車両２には前述の車両動的制御が配置される。
車両動的制御は、ブレーキ１１、車輪５、６のそれぞれでの車輪速度センサ１２を含む。車輪速度センサ１２は、各車輪の車輪速度１３を測定し、それをコントローラ１４に提供する。コントローラ１４はさらに、慣性センサ１８から車両２のギアレートのような慣性データ１６を受け取り、これらのデータに基づいて測定された運転方向を計算する。次に、コントローラ１４は、測定された運転方向が、運転者によって定められた転舵角８に対応するかどうかを判定する。逸脱がある場合、コントローラ１４は制御信号２０をアクチュエータ２２に出力し、アクチュエータ２２は適切なアキューテータ信号２４でブレーキ１１を個別に制御して車両の運転方向３を修正する。
図２を参照して、車両２における操舵機構を大まかに説明する。以下の説明を不必要に複雑にしないために、アクティブ操舵要素などの多くの技術要素は省略される。ステアリング機構を理解するための詳細は、例えばＤＥ １０ ２００５ ００７ ３０７ Ａ１から取得できる。
運転者が操舵ハンドル７を転舵角８に配置すると、操舵ハンドル７は、ステアリングコラム２６を回転軸２８の周りに回転させ、それ自体が前輪を回転させるために操舵ロッド３０を動かす。即ち、回転軸２８を中心とするステアリングコラム２６の回転角度は、転舵角８に対応するので、ステアリングコラム２６の回転角度が測定されると、操舵ハンドル７の転舵角８がわかる。
本実施形態では、ステアリングコラム２６の操舵ハンドル７とは反対側の軸方向端部に転舵角センサ３２が取り付けられている。この転舵角センサ３２は、ステアリングコラム２６の回転角度を測定し、それにより転舵角８を測定する。
図３〜４ｂに基づいて、この転舵角センサ３２についてさらに詳しく説明する必要がある。
転舵角センサ３２は、ステアリングコラム２６に対して静止するエンコーダ３４、車両２のシャーシ４に対して静止する磁石センサ３６を含む。車両２内でこれらの構成要素の固定は、図３〜４ｂの矢印で示される。
エンコーダ３４は第１磁石３８と第２磁石４０を含む。磁石３８と４０の両方は、回転軸に垂直な方向に磁化された円形ディスクとして形成されるので、各磁石３８、４０の一方の半分のディスクはＮ極４２であり、各磁石３８、４０の他方の半分のディスクはＳ極４４である。磁石３８と４０の両方は、互いに積み重ねて、かつ回転軸２８に位置合わせる。その中で、磁石３８と４０の一方のＮ極４２は、磁石４０と３８の他方のＳ極４４上に配置され、その逆も同様であるため、磁石３８と４０の両方は、回転軸２８の周りの回転方向４６に変位する。
２つの分離した磁石３８、４０に基づいて構成されたエンコーダ３４の説明は、エンコーダ３４の構造を包括的に説明するための形象的な説明にすぎない。エンコーダ３４はまた、Ｎ極およびＳ極４２，４４が適切な磁化方法で導入された単一の磁化可能な部品であり得る。
第１磁石３８は、磁石センサ３６に向けられた上面４８を有する。図４ｂの視点では、第１磁石３８の上面４８は見えない。第２磁石４０は、上面４８の反対側で第１の磁石３８に取り付けられている。回転軸２８から見ると、エンコーダ３４は、エンコーダ直径が１１ｍｍの円形形状を有する。
エンコーダ３４の第１磁石３８は、回転軸２８の方向に７ｍｍの凹部直径５４を有する円形形状が見られた凹部５２を含む。凹部５２は、０.５５ｍｍの凹部深さ５６で形成され、エンコーダ３４全体は、回転軸２８で３ｍｍのエンコーダ高さ５８を見られた。
第１磁石３８と同様に、本実施形態では、エンコーダ３４の第２磁石４０も凹部５２’を含む。凹部５２’は、第１磁石３８を第２磁石４０から分離する断面平面６０に関して対称的に第２磁石４０内へ形成される。この特徴の本質的な要件として、両方の磁石は、回転軸２８の方向に１．５ｍｍの同じ磁石厚さ６１を有する。
エンコーダ３４は、図３〜４ｂには見えない磁場を生成する。磁場は回転軸２８の周りで変化するため、回転軸２８の周りでのエンコーダ３４の回転により、磁気センサ３６の視野から磁場が変化する。即ち、磁場の変化に基づいて、磁気センサ３６は、ステアリングコラム２６の回転角度を導き出すことができる。
磁場を測定するために、磁気センサ３６は、エンコーダ３４の上側４８から測定距離６２に配置される。しかしながら、この測定距離６２は、測定される回転角度の角度誤差に影響を与える。角度誤差は常に存在するため、許容範囲を定義する。この許容範囲により、磁気センサ３６をエンコーダ３４に対して相対的に配置することができる。測定される回転角度の角度誤差の影響が大きいほど、許容範囲をより厳密に選択する必要があり、その結果、生産コストが増加する。言い換えれば、角度誤差は測定距離６２から可能な限り独立させることが望ましい。
本実施形態に係る角度センサ３２の角度誤差について説明するために、ダイアグラムを示す図５を参照する。ダイアグラムには、測定距離６２にわたる最大角度誤差６６の第１展開（ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇ）６４及び最大角度誤差６６の第２展開６８が描かれている。これらの測定は、３００ｍＴの残留誘導に対して行われた。
第１展開６４は、ＤＥ １０ ２０１８ １０２ １８４に記載されている既知の角度センサに属する。ゼロの測定距離６２で、既知の角度センサは比較的高い最大角度誤差６６を有する角度結果を出力し、最大角度誤差６６は、測定距離６２が増加すると最適距離７２で最小誤差７０になるまで急速に減少する。この最小誤差７０の後、既知の角度センサで最大角度誤差６６が上昇する。既知の角度センサで測定される回転角度の信頼性の高い測定を得るために、測定距離６２を最適距離７２で選択する必要がある。また、比較的高い非線形性のため、エンコーダと磁気センサとの間の相対変位誤差に対する高い公差はない。
第２展開６８は順に本実施形態に係る角度センサ３２に属する。測定は、本実施形態に係る角度センサ３２の最大角度誤差６６が、最適距離７２よりも低い距離範囲７３内の測定距離６２の最小誤差７０を下回っていることを明確に示している。最大角度誤差６６のゼロ交差７４もあり、それは、最大角度誤差６６をより低い距離範囲７３内の既知の角度センサでさらに低減できることを示す。
また、第２展開６８は第１展開６４と比較して比較的低い距離範囲７３で比較的一定であることもはっきりと見える。即ち、エンコーダ３４と磁気センサ３６は、必要な最大角度誤差とは大幅に反対することなく、より低い距離範囲内で互いに対して基本的に任意に配置することができる。この自由度は、本実施形態に係る角度センサの寸法に、より高い公差で使用することができる。
２ 車両
３ 運転方向
４ シャーシ
５ 前輪
６ 後輪
７ 操舵ハンドル
８ 回転角度
２６ ステアリングコラム
２８ 回転軸
３２ 転舵角センサ
３４ エンコーダ
３６ 磁石センサ
３８ 第１磁石
４０ 第２磁石
４２，４４ 磁化
４６ 回転方向
４８ 上側
５０ 第１磁石の直径
５２，５２’ 凹部
５６ 深さ
６１ 第１磁石の軸方向の厚さ

Claims (7)

  1. 車両（２）であって、
    運転方向（３）に移動可能なシャーシ（４）と、
    前記運転方向（３）に見た後側に前記シャーシ（４）を移動可能に運ぶ２つの後輪（６）と、
    前記運転方向（３）に見た前側に前記シャーシ（４）を移動可能に運ぶ２つの前輪（５）と、
    前記前輪（５）を操舵するための回転軸（２８）の周りにステアリングコラム（２６）を回転させるための操舵ハンドル（７）と、
    前記回転軸（２８）の周りでの前記ステアリングコラム（２６）の回転角度（８）を測定するための転舵角センサ（３２）と、
    を含み、
    前記転舵角センサ（３２）は、前記ステアリングコラム（２６）に対して静止するエンコーダ（３４）と、前記回転軸（２８）上の前記エンコーダ（３４）から軸方向変位する（７２）ように配置された磁石センサ（３６）と、を有し、
    前記エンコーダ（３４）は、前記磁石センサ（３６）に向けられた上側（４８）を有する第１磁石（３８）と、前記上側（４８）の反対側で前記第１磁石（３８）に取り付けられた第２磁石（４０）とを含み、少なくとも前記第１磁石（３８）は、前記上側（４８）から始まる凹部（５２）を含み、各磁石（３８、４０）は、前記回転軸（２８）と直交して磁化され、前記磁化（４２、４４）に関して、前記第１磁石（３８）と前記第２磁石（４０）は、回転方向（４６）で互いに変位し、
    前記凹部（５２）は、 前記第１磁石（３８）の軸方向の厚さ（６１）よりも浅い深さ（５６）を有することを特徴とする車両（２）。
  2. 前記第１磁石（３８）の前記軸方向の厚さ（６１）と前記凹部（５２）の前記深さ（５６）との比は、１：２０よりも大きく１：２よりも小さいことを特徴とする請求項１に記載の車両（２）。
  3. 前記第２磁石（４０）の凹部は、前記第１磁石（３８）の反対側の底側を含み、更なる凹部（５２’）が、前記底側から始まり前記第１磁石（３８）に伸びるように前記第２磁石（４０）に形成されることを特徴とする請求項１または２に記載の車両（２）。
  4. 前記凹部（５２）及び前記更なる凹部（５２’）は、前記第１磁石（３８）を前記第２磁石（４０）から分離する平面（６０）に関して対称的に形成されることを特徴とする請求項３に記載の車両（２）。
  5. 前記第１磁石（３８）及び前記凹部（５２）は、前記回転軸（２８）の方向から見て円形の形状を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の車両（２）。
  6. 前記第１磁石（３８）の直径（５０）と前記凹部（５２）の直径（５４）との比は、４：３よりも大きく２：１よりも小さいことを特徴とする請求項５に記載の車両（２）。
  7. 前記第１磁石（３８）は、２５０ｍＴ〜３５０ｍＴの残留誘導、好ましくは３００ｍＴの残留誘導を有する永久磁石であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の車両（２）。
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